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1 引言. F: [6 Z5 |" i+ h9 {
随着计算机技术的发展，尤其是无线技术广泛深入到人们生活的各个方面，使人们的生 活发生了深刻的变化。就工业数据采集、测量领域来讲，由于测量种类多、数据量大，且存 在许多条件恶劣、人们不易到达或不能时刻停留的地方偶尔采集一些现场数据，因而不但需 要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护，同时给采集带来很多不必要的麻烦。
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为了解决上述问题，本文提出了一种基于ARM 的蓝牙实时数据采集系统。采用嵌入式 操作系统Windows CE，对通过蓝牙无线传输方式集中的传感器采集数据，进行控制、显示、 处理，实现工业实时数据的采集。ARM 技术为内核的微控制器指令周期短，处理能力强， 接口丰富，能成功运行操作系统，为控制系统的应用程序开发提供了良好的平台。同时，它 体积小，功耗低，运行性能优越，能很好的应对于工控应用方面。而蓝牙技术是一种短距离、 低功耗的无线通信技术，采用跳频机制进行数据传送，故能极大地提高数据传送的抗干扰性 能。对于数据采集系统的应用而言，两者的结合大大简化了分布采集设备繁琐的配置和系统 复杂度，且大大降低了功耗和体积。由其带来的系统灵活性，使得系统的应用更加广泛。该 系统充分体现了嵌入式系统和蓝牙技术的优势，具有一定的实用价值。
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2 系统总体设计8 c6 i! z1 D! u. l6 U
基于 ARM 的蓝牙实时数据采集系统由基于ARM 的数据中心、单片机智能节点和蓝牙 无线通信链路三大部分组成。数据中心，采用基于ARM9 微处理器S3C2410 的硬件平台， 运行 Windows CE 嵌入式操作系统，可为操作人员管理现场数据、控制目标设备提供友好、 方便的用户接口；单片机节点，负责采集现场数据，通过蓝牙无线通信链路接收数据中心命 令并将数据上传给数据中心；蓝牙无线通信链路，通过在数据中心和单片机节点安装的蓝牙 模块实现。考虑到系统的可扩展性，系统还可以通过RS-232 接口实现ARM 数据中心与PC机的数据通信。系统总体构成如图1 所示。- _2 F9 E! L; @5 p1 j) S8 |
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9 x2 \, C# y$ L) Y4 L& x3 系统硬件设计/ x6 [7 B& b; i
基于 ARM 的蓝牙实时数据采集系统的硬件设计包含蓝牙模块天线和外围电路、基于 ARM 的数据中心、单片机节点三个部分。现在分别对各个主要模块做简单介绍。
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3 X, n1 F }3 ?' y8 x3 M9 y4 E. P' z3.1 蓝牙模块天线和外围电路
+ P: m0 Z9 \" P: R d7 {蓝牙模块是蓝牙通信的基础，在此采用嵌入式蓝牙模块 DFBM-Cs120。它集成了蓝牙 标准通信协议，对用户提供全双工UART 接口和射频信号输出，使用户能通过UART 控制 模块操作，并通过天线将承载数据的射频信号发射出去。
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& I" n' V; v8 d- z4 ^$ C9 {蓝牙模块外围电路设计主要包括天线设计、电源设计和UART 接口设计，如图2 所示。3 K3 C5 _! L" @/ D4 T* c
7 Y: P3 L. g, E8 \; N& v$ f: z% _7 f其中，天线的性能好坏直接关系到整个蓝牙通信系统能否正常传输数据，必须采用射频 电路的设计方法进行具有针对性的设计。在此由于DFBM-CS120 有一个天线管脚Antenna， 输出2.402~2.480GHz 射频信号，天线管脚的输出阻抗为50Ω。根据最大功率传输定理，在 天线管脚上外接阻抗50Ω的AT3216 多层陶瓷天线。考虑到由于制造参数与设计参数之间的 误差可能造成的信号衰减，在模块的天线管脚和蓝牙天线之间增加了一个由一个电感和两个 电容组成的π型网络，用来放大射频信号。天线电路框图如图3 所示。
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3.2 基于ARM 的数据中心
, x Q! l) R: h% N4 z! O基于 ARM 的数据中心的基本要求是体积小巧、功耗低、界面美观、操作方便、通信功 能强大、系统扩展性好。具体到硬件上，对ARM 系统的基本要求是支持Windows CE 操作 系统、支持彩色LCD、支持触摸屏、支持USB、支持以太网、支持蓝牙模块通信接口。根 据要求，结合嵌入式系统业内流行的开发平台，在此选择基于ARM9 处理器S3C2410 的硬 件平台作为数据中心。将蓝牙模块作为S3C2410 硬件平台的一个UART 外设安装，数据中 心便具有了蓝牙通信功能。. o) ]! e! T2 \) m: ^1 ~- f3 y2 c
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S3C2410 硬件平台的设计分为核心系统设计和外围设计两大部分。平台核心系统包括 CPU、SDRAM 和Flash，其中SDRAM 是平台的内存，Flash 相当于平台的硬盘；平台外设 包括LCD 和触摸屏接口电路、以太网控制器、USB 和UART。. l, q1 v( y, C: R! G
硬件平台的整体设计图如图 4 所示。
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3.3 单片机节点
o- I4 P/ @5 c* r3 K" \单片机节点是本系统的底层设备，正常工作时作为总控制器，协调控制其他监测器件或 模块工作，完成数据采集、测量、加工及与数据中心的通信、接受命令和数据传送等任务。 本系统中，单片机节点模块的MPU 采用Winbond W77E58，其串口与蓝牙通信模块的UART 进行通信。8 U; C& {! `" L
. |- I- E' Y- b+ i" S$ S) b2 X兼容 8051 内核、片载Flash 很大、具有双串口是W77E58 的三个突出特点。前两点意 味着单片机节点软件可以用C51 语言设计，不必因为担心代码太大而采用汇编语言；双串 口意味着可以用一个独立的串口与PC 机联机以调试编写的蓝牙通信软件，调试完成后再将 其移植到与蓝牙模块通信的串口上，无需为软件调试改动任何硬件，大大降低了硬件的复杂 性，提高了软件开发速度。 \8 N2 }% b7 T T
3 a- I+ S. U; N& J5 F8 }& n4 系统软件设计
5 W- a6 u7 Q3 |) ^3 Q基于 ARM 的蓝牙实时数据采集系统的软件设计包含三部分。第一部分是Windows CE 嵌入式操作系统平台的搭建；第二部分是基于Windows CE 操作系统，运行于数据中心蓝牙 数据采集应用程序的设计；第三部分是单片机节点的蓝牙通信软件的实现。
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4.1 Windows CE 嵌入式操作系统的搭建
- g8 o- w" P& _Windows CE(简称WinCE)是当今市场上主流嵌入式操作系统中应用最广泛的。它是一 个支持多种硬件平台、核心代码开放、组件可裁剪的32 位实时嵌入式窗口操作系统，具有 可靠性高、实时性好、模块化和小内存占用、支持多种无线与有线连接、支持多种硬件平台、 支持多种无线与有线连接等特点，广泛应用于各种嵌入式智能设备开发。6 H+ J; H$ \5 F5 k* q2 _# E
% L4 B' k) i$ y' k+ ]+ P( d由于嵌入式智能平台不论是CPU 架构还是外围硬件都是多种多样的，移植WinCE 需要 开发者根据具体平台要求对系统进行修改和定制。移植WinCE 操作系统主要有两部分内容： 一是定制BSP 代码，包括Bootloader、OAL 以及驱动程序；二是运行调试WinCE 操作系统， 主要是运用开发工具编译、下载、运行和调试操作系统映像。
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, b- O( ~% q1 V3 Y4.2 基于Windows CE 的蓝牙数据采集程序的设计
5 h6 r" s. f- R. }1 E由于 DFBM-CS120 蓝牙模块通过串口进行通信，而WinCE 的驱动程序己经以“文件” 的形式封装了串口，开发者无需编写操作串口硬件的代码，所以蓝牙数据采集程序没有必要 设计驱动程序，只考虑设计应用程序即可。 本系统中，基于 WinCE 的蓝牙数据采集程序采用Embedded Visual C++集成开发环境， 基于MFC 库，采用面向对象的设计方法设计。蓝牙数据采集程序的主要任务就是通过串口 发送和接收数据，因此串口编程是设计蓝牙数据采集程序必须实现的部分。WinCE 的驱动 程序己经将串口以“文件”形式进行了封装，因此基于WinCE 的串口编程无需编写直接操 作UART 硬件的代码，只要利用WinCE 提供的文件API 函数就可打开和读写串口。这些 API 函数分别是：CreateFile、ReadFile 和WriteFile。5 Y8 @0 m4 f5 P6 e+ Z ?! Z3 ~, v
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4.3 单片机节点程序设计1 m8 x" N. s0 R3 @& z& ]
单片机节点负责采集数据并把数据通过蓝牙模块发送给数据中心，程序设计的重点是实 现蓝牙数据通信。单片机程序在Keil μVision2 开发环境下，采用C51 语言编写。单片机节 点程序设计包括如下几个部分：
8 j5 N- L5 P- U% E: J$ D( Y0 V1.配置串口；
; t- F/ C3 J r, M$ w* {2.根据串口中断程序设计单片机-蓝牙模块通讯 程序；
# Z" ]8 ]2 q d5 o0 G' M- O) M3.通信帧格式设计。
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单片机节点与数据中心建立连接后，串口中断程序接收并识别数据中心的命令，由于数 据和命令是透明传输，单片机节点和数据中心之间必须设计通信协议，规定命令帧和数据帧 的帧头、帧尾、帧长、帧类型、校验等信息，二者才能正常互传数据。通信帧格式设计如下：
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5 结束语
6 n4 H/ F2 t( Y0 N- {' p/ A- l# M本文将蓝牙通信技术和 ARM 嵌入式系统应用于工业数据采集中，开发了一套新颖的无 线数据采集系统。系统包括数据中心、蓝牙通信和单片机节点三部分。数据中心的硬件、软 件功能强大，基于以ARM9 处理器S3C2410 为核心的硬件平台设计，运行 Windows CE 操 作系统，开发了基于 Windows CE 的蓝牙数据采集应用程序。通过数据中心和单片机节点 的蓝牙模块，数据中心能够在距离单片机节点半径约10 米以内的任何位置方便地与智能节 点交换命令和数据，不受传输角度和节点安装位置的限制。3 Q6 W y+ D* i) w; y2 J
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本文作者创新点：在以 ARM9 芯片为核心的嵌入式数据采集系统中，采用蓝牙无线通 信DFBM-CS120 芯片，实现高速实时数据信号采集和无线数据传输。与有线数据传输相比，更加方便灵活，具有较高的可靠性。在软件设计上采用Windows CE 实时多任务系统，实现 了系统初始化、数据采集、无线通信等任务进行调度和管理。试验结果表明，该系统硬件电 路简单、可靠性强，软件设计合理，满足了实时信号采集和无线数据传输的要求。9 A, ?; A" A5 v6 j
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发表于 2021-10-26 15:05
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